KR0156919B1 - Time measurement and circuit between two non-synchronous pulses - Google Patents
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Abstract
데이타 에지가 클럭 에지와 너무 가까울시에 그것이 시간 측정 회로에 준안정 상태를 초래한다는 것을 검출하는 비준안정 상태 회로가 제공된다. 포텐셜 준안정 상태가 검출될시에, 상기 비준안정 회로가 상기 준안정 상태를 피하기 위해 공지된 량만큼 클럭 에지에 대해 데이타 에지를 지연시킨다. 상기 지연된 에지가 상기 시간 측정 회로를 스타트하기 위해 사용되고, 그다음의 클럭 에지가 상기 시간 측정 회로를 스톱시키기 위해 사용된다. 상기 공지된 지연이 부가될시에 데이타 에지의 부상과 클럭 에지의 부상간의 경과된 시간의 정밀한 측정을 산출하기 위해 상기 공지된 지연이 상기 측정된 시간으로부터 감산된다.A metastable state circuit is provided that detects that when the data edge is too close to the clock edge, it results in a metastable state in the time measurement circuit. When a potential metastable state is detected, the metastable circuit delays the data edge with respect to the clock edge by a known amount to avoid the metastable state. The delayed edge is used to start the time measurement circuit, and the next clock edge is used to stop the time measurement circuit. The known delay is subtracted from the measured time to yield a precise measurement of the elapsed time between the rise of the data edge and the rise of the clock edge when the known delay is added.
Description
제1도는 시간 측정에 포함된 문제를 설명하는 타이밍도.1 is a timing diagram illustrating a problem involved in time measurement.
제2도는 종래 기술의 타이밍 회로의 부분도.2 is a partial view of a timing circuit of the prior art.
제3도는 제2도의 회로에 나타난 파형을 설명하는 타이밍도.3 is a timing diagram for explaining a waveform shown in the circuit of FIG.
제4도는 본 발명의 비-준안정 회로의 개략도.4 is a schematic diagram of a non- metastable circuit of the invention.
제5도 내지 제8도는 제4도의 상기 비-준안정 회로에서 발생하는 다양한 상태의 타이밍도.5-8 are timing diagrams of various states occurring in the non- metastable circuit of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 클럭 12,13 : 데이타 에지11: clock 12,13: data edge
16 : 플립플롭 17 : 램프 회로16: flip-flop 17: lamp circuit
18 : 스타트 입력 19 : 스톱 입력18: Start input 19: Stop input
21 : 준안정 윈도우 26,27,29 : 지연21: metastable window 26, 27, 29: delay
28 : 멀티플렉서28: multiplexer
본 발명은 일반적으로 시간 측정 회로에 관한 것으로서 특히, 2개의 비동기 전기 펄스간의 경과된 시간을 측정하기 위한 회로에 관한 것이다.The present invention relates generally to time measuring circuits, and more particularly to circuits for measuring elapsed time between two asynchronous electric pulses.
전자 회로의 측정 및 사용은 스위칭 속도 및 게이트 지연 시간과 같은 파라미터가 정밀하게 측정될 것을 요구한다. 대개, 시간 측정 회로는 2가지 사건간에 통과하는 시간의 량에 비례하는 출력을 발생한다. 통상, 각각의 상기 사건은 논리 저상태에서 논리 고상태 또는 그역으로의 천이에 의해 나타내어진다. 거의 대부분 상기 시간 측정 회로를 트리거하기 위해 사용되는 것이 상기 천이 또는 펄스 에지이다. 본원에서 이하 사용되어질 펄스 에지란 용어가 논리 저상태 대 논리 고상태 또는 그역간의 임의의 천이를 내포하는 것으로 의도된다. 대다수의 논리 장치가 부상 또는 하강 에지를 인식하고 좀처럼 부상 또는 하강 에지 양자를 필요로 하지 않는다. 사용된 논리 장치의 형태에 따라, 상기 펄스 에지란 용어가 부상 에지, 하강에지 또는 이들의 조합을 의미하도록 선택됐을 수 있다. 2 개의 비동기 펄스 에지, 또는 데이타 에지간의 시간을 측정하는 단순한 방법이 클럭을 제공하는 것이고, 상기 데이타 에지간에 발생한 클럭 에지의 수를 카운트하는 것이다. 상기 단순한 방법이 사용된 클럭의 속도에 정밀하게 제한되는 있는 그대로의 시간 측정을 초래한다. 전형적인 클럭 주기가 1 나노세컨드의 속도이기 때문에, 상기 방법이 피코세컨드 측정 정밀도용으로는 거의 사용될 수 없다.Measurement and use of electronic circuits require that parameters such as switching speed and gate delay time be precisely measured. Usually, the time measurement circuit produces an output proportional to the amount of time that passes between the two events. Typically, each such event is represented by a transition from a logic low state to a logic high state or vice versa. Almost most often the transition or pulse edge is used to trigger the time measurement circuit. The term pulse edge, as will be used herein below, is intended to encompass any transition between logic low state and logic high state or vice versa. Most logic devices recognize floating or falling edges and rarely require both floating or falling edges. Depending on the type of logic device used, the term pulse edge may have been chosen to mean a floating edge, a falling edge, or a combination thereof. A simple way to measure the time between two asynchronous pulse edges, or data edges, is to provide a clock and count the number of clock edges that occur between the data edges. This simple method results in a time measurement as is, which is precisely limited to the speed of the clock used. Since the typical clock period is one nanosecond, the method can hardly be used for picosecond measurement accuracy.
정밀도를 개선하기 위해, 각각의 데이타 에지와 그 다음의 클럭 에지간의 경과된 시간이 측정되어야 한다. 상기는 시간에 대해 선형으로 증가하는 출력 신호를 가진 램프 회로를 제공하므로 행해질 수 있다. 상기 데이타 에지중 한 에지가 상기 램프 회로를 스타트하기 위해 사용되는 반면에, 후속의 클럭 에지는 상기 램프 회로를 스톱시키기 위해 사용된다. 하나의 이러한 램프 회로가 각각의 상기 2 개의 데이타 에지에 대히 사용되어야 한다. 상기 램프 회로가 상기 데이타 에지와 그 다음의 클럭 에지간의 상기 경과된 시간에 비례하는 아나로그 출력을 갖는다. 상기 아나로그 데이타가 디지탈 데이타로 변환될 수 있고 본원에서 앞서 설명된 클럭 펄스의 카운트에 포함될 수 있다. 상기 램프 회로는 종종 측정을 행하기 위해, 실제 취해진 사건보다 수백 또는 수천배 더길게 취해질 수 있음을 알아야 한다. 예를들어, 상기 데이타 에지와 상기 그다음의 클럭 에지간의 경과된 시간이 0.5 나노세컨드였다면, 전형적인 램프 회로가 상기 경과된 시간을 측정하기 위해 500 나노세컨드를 취할수도 있다. 또한, 상기 램프 회로의 물리적인 크기가 측정되어야하는 시간의 길이의 함수이다. 그러므로, 상기 램프 회로에 의해 출력되야하는 시간을 최소화하는 것이 유용하다.To improve precision, the elapsed time between each data edge and the next clock edge must be measured. This can be done by providing a ramp circuit with an output signal that increases linearly with time. One of the data edges is used to start the ramp circuit, while the subsequent clock edge is used to stop the ramp circuit. One such ramp circuit should be used for each of the two data edges. The ramp circuit has an analog output proportional to the elapsed time between the data edge and the next clock edge. The analog data may be converted to digital data and included in the count of clock pulses described above herein. It should be noted that the lamp circuit can often be taken hundreds or even thousands times longer than the actual event taken to make a measurement. For example, if the elapsed time between the data edge and the next clock edge was 0.5 nanoseconds, a typical lamp circuit may take 500 nanoseconds to measure the elapsed time. In addition, the physical size of the lamp circuit is a function of the length of time to be measured. Therefore, it is useful to minimize the time that should be output by the lamp circuit.
상기 데이타 에지후에 발생하는 상기 그다음의 클럭 펄스 에지를 선택하기 위해, 데이타(D)입력에 결합된 데이타 에지 및 클럭 입력에 결합된 클럭 에지를 가진 D-형 플립플롭이 사용된다. 상기 장치를 사용하여, 일단 상기 데이타 에지가 상기 D 입력상에 나타나면, 상기 D 플립플롭 출력(Q)은, 그다음의 클럭 에지가 상기 클럭 입력에 가해진 후에, 스위치 될것이다. 따라서 상기 D 플립플롭의 상기 출력 Q 는 상기 데이타 에지후에 제 1 의 클럭 에지가 발생할시에 높아질 것이다. 그래서 상기 D 플립플롭의 상기 출력이 상기 램프 회로에 결합되고 상기 램프 회로를 스톱하기 위해 사용된다.To select the next clock pulse edge that occurs after the data edge, a D-type flip-flop with a data edge coupled to the data (D) input and a clock edge coupled to the clock input is used. Using the device, once the data edge appears on the D input, the D flip-flop output Q will be switched after the next clock edge is applied to the clock input. Thus, the output Q of the D flip-flop will be high when a first clock edge occurs after the data edge. Thus the output of the D flip-flop is coupled to the lamp circuit and used to stop the lamp circuit.
상기 기본 회로가 이론적으로는 잘 작용하는데 반해, 상기 클럭 에지와 데이타 에지가 너무 가깝게 함께 발생할시에, 실제 문제가 발생한다. 상기 클럭 에지 및 데이타 에지가 상기 플립플롭의 셋업 또는 고정 시간을 교란할만큼 너무 가까울시에, 상기 플립플롭의 상기 출력이 불확실하다. 상기 불확실한 출력이 또한 준안정 상태라 불린다. 상기 준안정 출력이 상기 램프 회로를 스톱시키기 위해 트리거할 수도 또는 트리거 안할수도 있다. 또한, 상기 D-형 플립플롭의 전달 지연이 준안정 상태로 알려졌으며, 그래서 정밀한 시간 측정이 불가능하다. 상기 준안정 상태가 논리 고 또는 논리 저 상태로 결국 표류될 것이나, 상기가 발생할 다수의 클럭 주기를 취할수도 있다.While the basic circuitry works well in theory, a real problem arises when the clock edge and the data edge occur too close together. When the clock edge and the data edge are too close to disturb the setup or lock time of the flip flop, the output of the flip flop is uncertain. The uncertain output is also called metastable. The metastable output may or may not trigger to stop the ramp circuit. Also, the propagation delay of the D-type flip-flop is known to be metastable, so precise time measurement is not possible. The metastable state will eventually drift to a logic high or logic low state, but it may take a number of clock cycles to occur.
준안정 상태의 발생은 감소하기 위한 회로가 고안되어 왔다. 대개, 직렬의 3 개 또는 4 개의 D 플립플롭이 전술된 단일의 D 플립플롭 대신에 사용된다. 3 개의 플립플롭을 사용하므로, 상기 준안정 상태가 클럭 주기내에서 논리 고 또는 논리 저에 도달할 가망성이 크게 개선된다. 상기 준안정 상태가 직렬의 플립플롭을 통해 이송되어질 명확한 가능성이 남아있으나, 결국 시간 측정 회로에 도달할 것이다. 짧은 클럭 주기가 사용되었을시에, 상기가 점점 더 개연적이다.Circuits have been devised to reduce the occurrence of metastable states. Usually, three or four D flip-flops in series are used instead of the single D flip-flop described above. By using three flip-flops, the likelihood that the metastable state will reach a logic high or logic low within a clock period is greatly improved. There remains a clear possibility that the metastable state will be transported through a series of flip-flops, but will eventually reach the time measurement circuit. When short clock cycles are used, this is more and more likely.
준안정 상태의 가능성을 보상하기 위해, 수천의 측정이 통상 행해져 정밀도를 개선하기 위해 평균화된다. 비록 상기 방법이 상기 준안정 상태에 의해 야기된 잘못된 데이타를 결국 평균치가 되게 할지라도, 그것이 단일의 측정보다 훨씬 더 길게 선택되었다. 다수의 측정이 단지 수 피코세컨드를 취한 사건의 정밀한 측정을 얻기 위해, 수 밀리세컨드 또는 수초를 실제로 취할 수 있다. 수천 또는 수만의 측정이 취해져야 할시에, 반도체 집적회로를 테스팅하기 위한 경우 그대로, 상기 부가적인 시간이 수락될 수 없다. 또한, 약간의 일시적인 사건이 반복될 수 없으며, 따라서 반복된 측정이 취해질 수 없다. 이 경우 상기 준안정 상태에 의해 야기된 에러가 불가능한 시간 측정을 정밀하게 행한다.In order to compensate for the possibility of metastable states, thousands of measurements are usually made and averaged to improve accuracy. Although the method eventually averaged the false data caused by the metastable state, it was chosen to be much longer than a single measurement. Many measurements may actually take several milliseconds or seconds to obtain a precise measurement of an event that only takes a few picoseconds. When thousands or tens of thousands of measurements have to be taken, the additional time cannot be accepted as is for testing semiconductor integrated circuits. In addition, some transient events cannot be repeated and thus repeated measurements cannot be taken. In this case, time measurement in which the error caused by the metastable state is impossible is precisely performed.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 정밀도를 가진 시간 측정 회로를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a time measurement circuit with improved precision.
본 발명의 또다른 목적은 수 피코세컨드의 크기로 경과된 시간을 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for measuring elapsed time on the order of several picoseconds.
본 발명의 또다른 목적은 램프 회로가 측정되기 위해 필요로하는 시간을 감소시키는 시간 측정 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a time measurement system that reduces the time required for the lamp circuit to be measured.
본 발명의 또다른 목적은 다수의 측정이 필요치 않을만큼 정밀하게 경과된 시간을 측정하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.It is a further object of the present invention to provide a method for measuring elapsed time precisely so that a large number of measurements are not necessary.
본 발명의 또다른 목적은 준안정 상태로 동작하는 플립플롭의 전달 지연 변화에 의해 야기된 에러를 제거하는 시간 측정 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a time measurement system that eliminates errors caused by variations in propagation delay of flip-flops operating in a metastable state.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 잇점은, 데이타 에지가 준안정 상태를 초래할 그다음의 클럭 에지에 너무 가까울때를 검출하고, 상기 준안정 상태를 피하기 위해 공지된 량만큼 클럭에 대해 상기 데이타 에지를 지연하는 비준안정 상태 회로에 의해 이루어진다. 상기 지연된 에지가 시간 측정 회로를 스타트하기 위해 사용되고, 그다음의 클럭 에지가 상기 시간 측정 회로를 스톱시키기 위해 사용된다. 상기 클럭 에지에 대해 상기 데이타 에지의 위치를 변화시키므로, 램프 회로에 의해 측정되야하는 시간이 최소화된다. 상기 공지된 지연이 부가되었을시에, 상기 데이타 에지와 상기 크럭 에지간의 경과된 시간의 정밀한 측정을 생성하는 것이 상기 측정된 시간으로부터 감산된다.The above and other objects and advantages of the present invention are to detect when the data edge is too close to the next clock edge that will result in a metastable state, and delay the data edge with respect to the clock by a known amount to avoid the metastable state. Is achieved by a rat stable state circuit. The delayed edge is used to start the time measurement circuit, and the next clock edge is used to stop the time measurement circuit. By changing the position of the data edge relative to the clock edge, the time that must be measured by the ramp circuit is minimized. When the known delay is added, producing a precise measurement of the elapsed time between the data edge and the clock edge is subtracted from the measured time.
제1도는 제 1 의 데이타 에지(12)와 제 2 의 데이타 에지(13)간의 경과된 시간을 측정하는 어려움을 설명하는 기본 타이밍도를 도시한다. 본 발명은 포지티브 에지 트리거 일렉트로닉스에 관하여 설명될 것이다.FIG. 1 shows a basic timing diagram illustrating the difficulty of measuring the elapsed time between the first data edge 12 and the second data edge 13. The present invention will be described with respect to positive edge trigger electronics.
에지 및 펄스 에지란 용어는 부상 및 하강 에지를 포함하는 논리 상태의 임의의 변화를 포함하려고 한다. 포지티브 에지 트리거 일렉트로닉스가 클럭의 부상 에지의 상태를 변화시킨다. 다른 형태의 플립플롭 및 카운터가 공지되었고 본 발명에 동등하게 적용가능하다.The terms edge and pulse edge are intended to encompass any change in logic state, including rising and falling edges. Positive edge trigger electronics change the state of the floating edge of the clock. Other types of flip-flops and counters are known and equally applicable to the present invention.
전자 회로 특히, 2 개의 펄스 에지간의 경과된 시간의 측정을 필요로 하는 반도체 테스팅 설비에 타스크가 종종 발생한다. 제1도에 도시된 바와같이, 데이타 에지(12)가 T1에 시작하고 데이타 에지(13)가 T3에서 시작한다 클럭(11)은 약 1 내지 10 나노세컨드의 주기를 통한 가진 사각형 싸이클의 부상 에지를 발생한다. 임의의 클럭 주기가 응용가능한 것을 알았다 하더라도, 비준안정 회로가 1 나노세컨드 클럭과 관련하여 설명될 것이다.Tasks often occur in electronic circuitry, particularly in semiconductor testing equipment that requires the measurement of elapsed time between two pulse edges. As shown in FIG. 1, data edge 12 starts at T1 and data edge 13 starts at T3. Clock 11 is a floating edge of a rectangular cycle with a period of about 1 to 10 nanoseconds. Occurs. Although we know that any clock period is applicable, the stabilization circuit will be described with respect to one nanosecond clock.
제1도에 되시된 바와같이, T1 및 T3 가 클럭 에지(11)의 비동기적으로 발생한다. 즉, 비록 일치가 가능하더라도, T1 및 T3 가 부상 클럭 에지와 항상 일치하지는 않는다. T1 과 T3 간의 시간의 있는 그대로의 근사값이 T1 과 T3 간의 클럭 에지(11)를 카운팅하므로 행해질 수 있다. 상기 근사값이 ±1 클럭 주기의 측정 정밀도를 초래할 것이다. 경과된 시간의 보다 정밀한 측정을 얻기 위해, T1 과 T2 뿐만 아니라 T3에서 발생하는 그다음의 클럭 에지와 T4 에서의 그다음의 부상 클럭 에지간의 시간의 차이를 측정하는 것이 필요하다. 따라서, T1 과 T3 에서 비동기 에지간의 경과된 시간을 정밀하게 측정하는 문제가 제 1 의 간격 T1 내지 T2 간의 경과된 시간과 제 2 의 간격 T3 내지 T4 간의 경과된 시간을 측정하는 문제로 요약된다. T2 및 T4 간의 시간이 클럭 에지를 카운팅하므로 쉽게 측정될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2의 간격을 측정하는 방법 및 장치가 동일하고 따라서 단지 상기 제 1 의 간격에 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 제2도 및 제4도에 도시된 회로가 상기 제 2 의 간격을 측정하기 위해 복제된다.As shown in FIG. 1, T1 and T3 occur asynchronously of clock edge 11. That is, even if a match is possible, T1 and T3 do not always coincide with the floating clock edge. The as-is approximation of the time between T1 and T3 can be done by counting clock edge 11 between T1 and T3. This approximation will result in measurement accuracy of ± 1 clock period. In order to obtain a more accurate measurement of elapsed time, it is necessary to measure the time difference between T1 and T2 as well as the next clock edge occurring at T3 and the next floating clock edge at T4. Thus, the problem of precisely measuring the elapsed time between the asynchronous edges at T1 and T3 is summarized as the problem of measuring the elapsed time between the first intervals T1 to T2 and the elapsed time between the second intervals T3 to T4. The time between T2 and T4 counts clock edges so it can be easily measured. The method and apparatus for measuring the first and second intervals are the same and will therefore only be described in relation to the first interval. However, the circuits shown in FIGS. 2 and 4 are duplicated to measure the second gap.
상기 간격 측정이 제2도에 도시된 바와같은 램프 회로를 사용하여 행해졌을 수 있다. 램프 회로(17)가 스타트 입력(18)에 수신된 스타트 신호와 스톱 입력(19)에 수신된 스톱 신호간의 경과된 시간의 함수인 아나로그 출력을 출력한다. 상기 아나로그 출력이 다른 측정으로 부터 가산 및 감산될 수 있는 디지탈 출력으로 변환될 수 있다. 제1도에 도시된 파형으로부터, 하나의 램프 회로(17)가 T1과 T2 간의 경과된 시간을 측정하기 위해 제공되야 하고, 또다른 램프 회로가 T3 및 T4 간의 경과된 시간을 측정하기 위해 제공되야 한다. 제1도에 도시된 T1 과 T2 간의 경과된 시간을 측정하기 위하여, 데이타 라인(12)이 스타트 입력(18)에 직접 결합되야하는 반면에, 스톱 입력(19)은 데이타가 데이타 라인(12)상에 나타난 후에 발생하는 그다음의 클럭 에지에 결합되야한다. 플립플롭(16)이 T2 에서 그다음의 클럭 에지를 선택하기 위해 작용한다. 클럭 신호가 부상 에지가 클럭 입력에 나타날시에, 플립플롭(16)은 데이타(D) 입력에 있는 데이타를 출력()으로 이송하는 D-형 플립플롭이다. 상기 D-형 플립플롭이 상기 Q 출력으로부터 역 논리값을 가진 자동 출력(Q)을 또한 갖는다.The gap measurement may have been made using a ramp circuit as shown in FIG. The ramp circuit 17 outputs an analog output which is a function of the elapsed time between the start signal received at the start input 18 and the stop signal received at the stop input 19. The analog output can be converted to a digital output that can be added and subtracted from other measurements. From the waveform shown in FIG. 1, one lamp circuit 17 should be provided to measure the elapsed time between T1 and T2, and another lamp circuit should be provided to measure the elapsed time between T3 and T4. do. In order to measure the elapsed time between T1 and T2 shown in FIG. 1, the data line 12 must be coupled directly to the start input 18, while the stop input 19 allows the data to enter the data line 12. It must be coupled to the next clock edge that occurs after it appears. Flip-flop 16 acts to select the next clock edge at T2. When the clock signal appears with the floating edge at the clock input, flip-flop 16 outputs the data at the data (D) input. D-type flip-flop that feeds The D-type flip-flop also has an automatic output Q with an inverse logic value from the Q output.
데이타 에지(12)가 플립플롭(16)의 D 입력과 스타트 입력(18)에 결합되며, 클럭(11)이 플립플롭(16)의 클럭 입력에 결합되고, 플립플롭(16)의 Q 출력이 스톱 입력(18)에 결합된다. 상기 배열에서, 데이타 에지(12)가 램프 회로(17)를 스타트한다. 그다음의 클럭 에지(11)가 플립플롭(16)의 클럭 입력에 나타날시에, 상기 Q 출력이 높게 진행한다. 상기 논리 고 출력이 램프 회로(17)를 차단하고 램프 회로(17)로부터의 아나로그 출력이 제1도에 도시된 T1 과 T2 간의 경과된 시간을 나타낸다. 플립플롭(16)의 전달 지연이 T1 과 T2 간의 경과된 시간에 부가되나, 상기 전달 지연이 일정한한, 상기 지연이 보상될 수 있다.The data edge 12 is coupled to the D input and the start input 18 of the flip-flop 16, the clock 11 is coupled to the clock input of the flip-flop 16, the Q output of the flip-flop 16 Coupled to a stop input 18. In this arrangement, the data edge 12 starts the ramp circuit 17. When the next clock edge 11 appears at the clock input of flip-flop 16, the Q output goes high. The logic high output shuts off the lamp circuit 17 and the analog output from the lamp circuit 17 represents the elapsed time between T1 and T2 shown in FIG. The propagation delay of flip-flop 16 is added to the elapsed time between T1 and T2, but as long as the propagation delay is constant, the delay can be compensated for.
제3도에 설명된 바와같이, 데이타 라인(12)과 클럭 에지(11)의 데이타 입력이 일치할시에, 플립플롭(16)의 Q 출력이 부정(不定) 또는 준안정 상태로 진행할 수 있다. 클럭 에지를 둘러싸는 준안정 윈도우(21)가 준안정 상태를 초래할 수 있는 동안 데이타 에지(12)와 클럭 에지(11)가 임의의 데이타 에지(12)로서 정확히 일치되지 않아야 한다. 모든 플립플롭이 셋업되고 침해되면, 준안정 출력을 초래하는 시간 상태를 계속 유지하기 때문에, 준안정 윈도우(21)가 결과로서 생긴다. 제3도의 Q 파형에 의해 설명된 상기 준안정 출력이 논리 저와 논리 고간에 불확실하게 가변할 것이고 결국 논리 상태를 결정할 수 있다. 그러나, 논리 상태가 단일의 클럭 주기내에 도달되어질 것이라는 아무런 보증도 없고, 최후의 논리 상태가 정확한 상태일 것이라는 어떠한 보증도 없다. 또한, 플립플롭(16)의 전달 지연이 준안정 상태로 불확실하기 때문에, 정확한 논리 상태가 도달되었을때 조차도 상기 지연이 보상될 수 없다.As illustrated in FIG. 3, when the data inputs of the data line 12 and the clock edge 11 coincide, the Q output of the flip-flop 16 may proceed in an indeterminate or metastable state. . The data edge 12 and the clock edge 11 must not exactly match as any data edge 12 while the metastable window 21 surrounding the clock edge can result in a metastable state. As all flip-flops are set up and breached, a metastable window 21 results as a result of maintaining a time state that results in a metastable output. The metastable output described by the Q waveform of FIG. 3 will vary indefinitely between logic low and logic high and can eventually determine the logic state. However, there is no guarantee that the logical state will be reached within a single clock period, and no guarantee that the last logical state will be correct. Also, because the propagation delay of flip-flop 16 is uncertain to a metastable state, the delay cannot be compensated even when the correct logic state is reached.
제4도는 본 발명의 비준안정 회로를 도시한다. 램프 회로(17) 및 플립플롭(16)이 제2도에 도시된 소자와 유사하다. 플립플롭(16)의 좌측에 도시된 회로가 데이타 에지(12)를 미리 조정하기 위한 작용을 하며, 따라서 플립플롭(16)의 준안정 상태가 불가능하다.4 illustrates the ratification stabilizer circuit of the present invention. The lamp circuit 17 and the flip-flop 16 are similar to the device shown in FIG. The circuit shown on the left side of the flip-flop 16 serves to pre-adjust the data edge 12, so that the metastable state of the flip-flop 16 is impossible.
스타트 입력(18)이 멀티플렉서(28)의 출력(34)에 결합된다. 멀티플렉서(28)의 제어 입력(33)의 신호가 입력(31 및 32) 간에 선택되고 출력(34)에 선택된 입력을 배치한다. 입력(31)이 짧은 데이타 통로에 의해 데이타 에지(12)에 결합된다. 상기 짧은 데이타 통로가 3.25 클럭 주기만큼 데이타 에지(12)를 적절히 지연하는 프로그램가능한 지연(26)을 갖는다. 데이타 입력(32)이 긴 데이타 통로라 불리는 것에 결합되고 적절히 대략 1/2 클럭 주기인 부가적인 지연(27)을 통합한다. 지연(27)이 적어도 제3도에 도시된 준안정 윈도우(21)만큼 이어야 하고, 적절히 후에 설명된 지연(29)가 동일한 길이이다. 논리 저가 제어 입력(33)에 나타날시에 데이타 입력(31)이 선택되고 논리 고가 제어 입력(33)에 나타날시에 데이타 입력(32)이 선택된다. 설명을 쉽게 하기 위해, 멀티플렉서(28)을 통한 임의의 전달 지연이 지연(26)뿐만아니라 송신 라인 또는 성분간이 결합과 관련된 임의의 지연으로 총괄되어 왔다. 지연(26)이 프로그램가능하기 때문에, 부가적인 지연을 고려하는 것이 쉽게 측정될 수 있다.Start input 18 is coupled to output 34 of multiplexer 28. The signal of the control input 33 of the multiplexer 28 is selected between the inputs 31 and 32 and places the selected input at the output 34. Input 31 is coupled to data edge 12 by a short data path. The short data path has a programmable delay 26 that adequately delays the data edge 12 by 3.25 clock periods. Data input 32 is coupled to what is called a long data path and incorporates an additional delay 27 which is suitably approximately one half clock period. The delay 27 must be at least as long as the metastable window 21 shown in FIG. 3, and the delay 29 described later as appropriate is of the same length. The data input 31 is selected when appearing at the logic low cost control input 33 and the data input 32 is selected when appearing at the logical high cost control input 33. For ease of explanation, any propagation delay through the multiplexer 28 has been summed up in terms of the delay 26 as well as any delay associated with the coupling between transmission lines or components. Since delay 26 is programmable, taking into account additional delays can be easily measured.
설명된 바와같이, 1 나노세컨드 클럭 주기가 사용될시에, 멀티플렉서(28)가 3.25 나노세컨드 지연 또는 3.75 나노세컨드 지연중에서 선택하도록 작용한다. 따라서, 데이타 입력 에지(12)가 램프 스타트 입력(18)에서 나타날 것이고 플립플롭(22)의 D 입력에서 나타난 후에 3.25 나노세컨드 또는 3.75 나노세컨드 지연된후 플립플롭(16)의 D 입력에서 나타날 것이다.As described, when one nanosecond clock period is used, the multiplexer 28 acts to select between a 3.25 nanosecond delay or a 3.75 nanosecond delay. Thus, data input edge 12 will appear at ramp start input 18 and at the D input of flip-flop 16 after a 3.25 nanosecond or 3.75 nanosecond delay after appearing at the D input of flip-flop 22.
알 수 있는 바와같이, 선택가능한 지연이 데이타 에지(12)의 위치를 정하기 위해 사용되며, 따라서 준안정 상태가 플립플롭(16)에서 발생할 수 없다.As can be seen, a selectable delay is used to locate the data edge 12 so that a metastable state cannot occur at flip-flop 16.
플립플롭(22 내지 24)가 지연(29)이 데이타 에지(12)와 클럭 에지(11)간의 관계를 테스트하기 위한 작용을 하고 준안정 상태가 플립플롭(16)에서 나타날시에, 데이타 에지(12)를 정정하기 위한 신호를 멀티플렉서(28)에 출력한다. 클럭(11)이 각각의 플립플롭(22 내지 24) 뿐만 아니라 플립플롭(16)의 클럭 입력에 결합된다. 플립플롭(22)의 D 입력시 데이타 에지(12)에 직접 결합되는 반면에, 플립플롭(23)의 D 입력이 지연(29)을 통해 데이타 입력(12)에 결합된다.Flip-flops 22-24 act to test the relationship between data edge 12 and clock edge 11 with delay 29 and when a metastable state appears at flip-flop 16, the data edge ( A signal for correcting 12) is output to the multiplexer 28. Clock 11 is coupled to the clock input of flip-flop 16 as well as each flip-flop 22-24. The D input of flip-flop 23 is coupled to data input 12 via delay 29 while the D input of flip-flop 22 is directly coupled to data edge 12.
비록 제3도에 도시된 플립플롭에 대한 준안정 윈도우(21)보다 더 지연(29)만이 필요하다 하더라도, 지연(29)이 편리하게 1/2 클럭 주기로 선택된다. 1 나노세컨드에 대해, 지연(29)이 0.5 나노세컨드 일것이다. 통상, 0.5 나노세컨드 지연이 준안정 윈도우(21) 주변에 약 200% 보호 주파수대를 포함한다. 데이타 에지가 플립플롭(22)의 D 입력에서 나타날시에, 0.5 나노세컨드후에 플립플롭(23)의 D 입력에 데이타 에지가 나타날 것이다. 플립플롭(22)의출력이 플립플롭(23)의 Q 출력과 플립플롭(24)의 D 입력에 결합된다. 플립플롭(22)의출력과 플립플롭(23)의 Q 출력간의 결합이 보통 하드 와이어라 불리거나 또는 플립플롭(22)의출력이거나 플립플롭(23)이 Q 출력이 가장높은 논리 레벨에 있는 플립플롭(24)의 D 입력을 초래한다.Although only the delay 29 is needed more than the metastable window 21 for the flip-flop shown in FIG. 3, the delay 29 is conveniently selected in half clock periods. For one nanosecond, the delay 29 would be 0.5 nanoseconds. Typically, 0.5 nanosecond delay includes about 200% guard band around metastable window 21. When a data edge appears at the D input of flip-flop 22, a data edge will appear at the D input of flip-flop 23 after 0.5 nanoseconds. Flip-flop (22) The output is coupled to the Q output of flip-flop 23 and the D input of flip-flop 24. Flip-flop (22) The coupling between the output and the Q output of flip-flop 23 is commonly referred to as a hard wire or the flip-flop 22 An output or flip-flop 23 results in the D input of flip-flop 24 where the Q output is at the highest logic level.
플립플롭(24)의출력이 플립플롭(24)의 리셋 입력(36)에 결합된다. 리셋 입력(36)이 논리 고를 수신할시에, 플립플롭(24)의 클럭 입력이 디스에이블되고 플립플롭(24)의출력이 논리 고로 진행한다. 상기 플립플롭(24)의 상기출력을 자체의 리셋(36)에 결합시키므로, 정 피이드백 루프가 발생되어 상기출력상의 준안정 신호가 리셋(36)에 턴온될 것이며 따라서, 플립플롭(24)의 클럭 입력을 디스에이블링하고 상기 준안정 상태로부터 상기출력을 논리 고로 강제한다. 일단 리셋 입력(36)이 논리 고 상태로 래치되면, 플립플롭(24)의 D 입력에서 발생하는 임의의 에지가 상기 출력에 영향을 미치지 못할 것이다. 상기는 플립플롭(24)의 D 입력이 많아야 1 클럭 주기동안 논리 저 상태로 유지될 것이며, 그래서 플립플롭(24)의 D 입력이 변한다할지라도, 플립플롭(24)의 상기 출력이 안정을 보증하도록 래치되야 하는 것이 중요하다.Flip-flop (24) The output is coupled to the reset input 36 of the flip flop 24. When the reset input 36 receives a logic high, the clock input of the flip-flop 24 is disabled and the flip-flop 24 The output goes to the logic block. The flip-flop 24 of the By coupling the output to its reset 36, a positive feedback loop is generated to The metastable signal on the output will turn on at reset 36, thus disabling the clock input of flip-flop 24 and removing the metastable state from the metastable state. Force the output to a logic fault. Once reset input 36 is latched to a logic high state, any edge that occurs at the D input of flip-flop 24 will not affect the output. This means that at most D input of flip-flop 24 will remain at a logic low state for one clock period, so that even if the D input of flip-flop 24 changes, the output of flip-flop 24 is stable. It is important that they be latched to
플립플롭(24)의 상기출력이 멀티플렉서(28)의 제어 입력에 또한 결합된다.Above of flip-flop 24 The output is also coupled to the control input of the multiplexer 28.
일단 정 피이드백 루프가 플립플롭(24)의 상기출력을 논리 고로 래치하면, 회로 동작을 논리 신호를 플립플롭(24)의 셋 입력(도시하지 않음)에 제공하므로 재저장되어질 필요가 있다. 상기 셋 입력은, 비준안정 회로가 최초로 턴온될 시에, 플립플롭(24)을 초기화하기 위해 필요로될 수도 있다. 플립플롭(24)이 리셋 입력(36)을 무시하는 셋 입력을 가진 형태이어야 한다. 하나의 이러한 플립플롭이 모토로라에 의해 제조된 부품 번호 MC 10E131 이다.Once the positive feedback loop is a reminder of the flip-flop 24 When the output is latched to a logic go, the circuit operation provides a logic signal to the set input (not shown) of the flip-flop 24 and needs to be restored. The set input may be required to initialize flip-flop 24 when the stabilization circuit is first turned on. Flip-flop 24 should be shaped with a set input that overrides reset input 36. One such flip-flop is part number MC 10E131 manufactured by Motorola.
제4도에 도시된 비준안정 회로의 동작은 데이타 에지(12)와 클럭 에지(11)간의 다양한 관계를 가진 비준안정 회로 기능을 설명하는 제5도 내지 제8도에 도시된 파형을 관찰하므로 보다 쉽게 이해된다. 제5도는 데이타 에지(12)가 준안정 윈도우(21A)전에 1/2 클럭 주기 이상으로 발생하는 상태를 설명한다. D23 이라 명칭이 붙은 파형이 플립플롭(23)의 D 입력에서 보여진 파형을 설명하고, 그래서 제4도에 도시된 지연(29)에 의해 0.5 클럭 주기만큼 지연된다.The operation of the stabilization circuit shown in FIG. 4 observes the waveforms shown in FIGS. 5 through 8 that illustrate the function of the stabilization circuit with various relationships between the data edge 12 and the clock edge 11. It is easily understood. 5 illustrates a state in which the data edge 12 occurs more than a half clock cycle before the metastable window 21A. The waveform labeled D23 describes the waveform shown at the D input of the flip-flop 23, and is thus delayed by 0.5 clock periods by the delay 29 shown in FIG.
짧은 데이타 통로가 사용될시에 데이타 에지(12) 파형상의 해시(hash)마크(37)는 데이타 에지(12)가 클럭(16)의 D 입력에 도달될 시간을 설명하는 반면에, 긴 데이타 통로가 사용될시에, 해시 마크(38)은 상기 데이타 에지가 클럭(16)의 D 입력에 도달할 시간을 설명한다. 데이타 에지(12)가 준안정 윈도우(21B)내에 도달하면, 플립플롭(16)이 준안정 상태에 들어갈 수 있다. 이것이 비준안정 회로에 의해 회피되야할 상태이다.The hash mark 37 on the data edge 12 waveform when the short data path is used describes the time that the data edge 12 will reach the D input of the clock 16, while the long data path will be used. When used, the hash mark 38 describes the time for which the data edge will reach the D input of clock 16. When data edge 12 reaches metastable window 21B, flip-flop 16 may enter metastable state. This is the state to be avoided by the ratification stabilizer.
데이타 에지(12)가 지연된 에지(D23)양자가 준안정 윈도우(21A)전에 발생하는 제5도에 설명된 경우에서는, 플립플롭(22)이출력이 논리 저로 강제 되어질 반면에, 플립플롭(23)의 Q 출력은 논리 고로 강제되어질 것이다. 따라서, 플립플롭(24)의 D 입력이 논리 고일것이고 플립플롭(24)의출력이 논리 저로 강제될 것이다. 이 경우 짧은 데이타 통로가 선택된다. 제5도에 도시된 바와같이, 준안정 윈도우(21B)를 피하기 위해 선택되어야하는 짧은 데이타 통로가 필요로 된다.In the case where the quantum of the edge D23 delayed by the data edge 12 occurs in FIG. 5, which occurs before the metastable window 21A, the flip-flop 22 While the output will be forced to logic low, the Q output of flip-flop 23 will be forced to logic high. Thus, the D input of flip-flop 24 will be logic high and the flip-flop 24 The output will be forced to logic low. In this case a short data path is selected. As shown in FIG. 5, a short data path is needed to be selected to avoid the metastable window 21B.
제6도는 데이타 에지(12)가 준안정 윈도우(21A)전에 발생할시의 파형을 도시하나 지연된 에지(D23)은 준안정 윈도우(21A)동안 발생한다. 상기 상태가 논리 저인 플립플롭(22)의출력을 초래하는 반면에, 플립플롭(22)의 Q 출력이 준안정 상태에 들어갈 것이다.6 shows waveforms when data edge 12 occurs before metastable window 21A, while delayed edge D23 occurs during metastable window 21A. Flip-flop 22 whose state is logic low While causing an output, the Q output of flip-flop 22 will enter a metastable state.
따라서 플립플롭(24)의 상기 D 입력이 준안정 상태로 보인다. 해시 마크(37 및 38)를 관찰하므로 상기 상태에서, 짧은 데이타 통로 또는 긴 데이타 통로도 결코 플립플롭(16)의 준안정 상태를 초래하지 않도록 상기 통로중 어느 통로가 선택되어야 하는 것이 문제가 되지 않는다는 것을 알아야 한다. 그러나, 시간 측정 에러를 피하기 위해 상기 또는 다른 데이타 통로가 선택되어지는 것이 중요하다.Thus, the D input of flip-flop 24 appears to be metastable. Since the hash marks 37 and 38 are observed, it is not a problem that either of the passages should be selected so that in this state neither the short data passage nor the long data passage will cause the metastable state of the flip-flop 16. You should know that However, it is important that these or other data paths be selected to avoid time measurement errors.
제4도를 참조하면, 후속의 클럭 에지가 플립플롭(24)의 D 입력의 준안정 상태를 플립플롭(24)의출력으로 강제로 이송시킬 것이다, 앞서 설명된 바와같이, 정 피이드백 루프가 상기출력을 논리 고로 강제할 것이다. 종종, 상기가 그다음의 클럭 에지전에 발생할 것이고, 따라서 논리 고가 제어 입력(33)에 나타날 것이다. 상기가 발생하지 않더라도, 상기 시간만큼, 플립플롭(24)의 D 출력이 논리 고에서 안정화되기 때문에, 상기 그다음의 클럭 에지가 상기출력을 논리 저로 강제할 것이다. 상기가 일어나면, 짧은 데이타 통로가 선택되어진 것이다. 양 경우에, 상기 데이타 통로는 상기 데이타가 멀티플렉서(28)에 도달되기전에 적당히 선택되어져 플립플롭(16)에 제공되는 데이타의 보전성을 보호한다. 제7도는 선택되어진 긴 데이타 통로를 초래해야 하는 데이타 에지(12)와 클럭 에지(11)간의 관계를 설명한다. 여기서, 데이타 에지(12)가 준안정 윈도우(21A)전에 발생하는 반면에, 지연된 에지(D23)가 상기 윈도우 후에 발생한다. 상기가 논리 저로 강제되어진 플립플롭(22)의출력뿐만 아니라 플립플롭(23)의 Q 출력을 초래한다. 따라서 플립플롭(24)의출력은 멀티플렉서(28)가 긴 데이타 통로를 선택하도록 논리 고로 강제한다. 제7도에서 알 수 있듯이, 상기 관계가 데이타 에지(12)와 클럭 에지(11)간에 존재할시에 실제로 긴 데이타 통로(38)가 선택되어야 한다. 플립플롭(24)의출력을 리셋(36)에 결합시키므로 형성된 정 피이드백 루프는 플립플롭(24)이 재초기화되기 까지 상기출력을 논리 고로 고정시키는 작용을 한다. 제4도에 도시된 정 피이드백 루프없이도, 데이타 에지(12)가 멀티플렉서(28)에 도달하기 전에, 플립플롭(24)의출력이 논리 저로 변할것이다.Referring to FIG. 4, the subsequent clock edge causes the metastable state of the D input of the flip-flop 24 to be flipped. Will be forced to output, as described above, the positive feedback loop Will force the output to a logic fault. Often, this will occur before the next clock edge and thus appear at the logic high control input 33. Even if the above does not occur, the next clock edge is increased by the time since the D output of flip-flop 24 is stabilized at a logic high. Will force the output to logic. If this happens, a short data path has been selected. In both cases, the data path is suitably selected before the data reaches the multiplexer 28 to protect the integrity of the data provided to the flip-flop 16. 7 illustrates the relationship between the data edge 12 and the clock edge 11 that should result in the long data path selected. Here, data edge 12 occurs before metastable window 21A, while delayed edge D23 occurs after the window. Of the flip-flop 22, which is forced to logic low Not only the output but also the Q output of the flip-flop 23. Thus flip-flop 24 The output forces the logic multiplexer 28 to select a long data path. As can be seen in FIG. 7, the long data path 38 should be selected when the relationship exists between the data edge 12 and the clock edge 11. Flip-flop (24) The positive feedback loop formed by coupling the output to reset 36 remains until the flip-flop 24 is reinitialized. It acts to lock the output to a logic block. Without the positive feedback loop shown in FIG. 4, before the data edge 12 reaches the multiplexer 28, the flip-flop 24 may be removed. The output will change to logic low.
제8도가 제6도에 도시된 것과 유사한 상태를 설명하나, 이 경우 플립플롭(24)의 D 입력상의 준안정 상태가 플립플롭(22)에 의해 야기된다. 비준안정 회로는 데이타 통로가 선택되는 것이 문제가 않된다 하더라도 데이타 통로가 요구되기 전에, 멀티플렉서(28)가 적절히 데이타 통로를 선택하는 것을 보증하기 위해 유사하게 기능을 한다. 비록 플립플롭(22 내지 24)이 준안정 상태에 들어갈 수 있다 하더라도, 상기 플립플롭의 전달 지연이 데이타 에지나 또는 클럭 에지에 부가되지 않고 따라서 시간 측정 회로의 정밀도에 영향을 미치지 않도록 부가되지 않음을 알아야 한다. 오직 플립플롭(16)만이 데이타 통로에 있고, 그것이 준안정 상태로 들어갈 수 없기 때문에, 아무런 측정 에러도 발생치 않는다.FIG. 8 describes a state similar to that shown in FIG. 6, but in this case a metastable state on the D input of flip-flop 24 is caused by flip-flop 22. The stabilization circuit functions similarly to ensure that the multiplexer 28 properly selects the data path before the data path is required, even if the data path is not a problem. Although flip-flops 22 to 24 may enter a metastable state, the propagation delay of the flip-flop is not added to the data edge or clock edge and thus not added to affect the precision of the time measurement circuit. You should know Since only flip-flop 16 is in the data path and it cannot enter metastable state, no measurement error occurs.
제4도에 도시된 회로가 그다음의 클럭 에지(11)로부터 0.25 내지 0.75 클럭 주기의 범위에 데이타 펄스(12)를 배치하기 위한 작용을 한다는 것은 알아야 한다. 따라서 램프 회로(17)가 상기 범위의 외부에 있는 시간을 측정하기 위해서는 결코 필요치 않을 것이다. 상기 범위의 크기는 지연(29) 및 지연(27)과 동일하다. 지연(29)과 함게 플립플롭(22 및 23)이 지연(29)만큼 폭넓은 윈도우를 검출하기 위한 작용을 한다. 플립플롭(22 및 23)및 지연(29)과 유사한 기능을 하고 상기 플립플롭 및 지연에 결합되는 부가적인 플립플롭 및 지연이 사용된다면, 부가적인 윈도우가 검출될 수 있다. 상기 방식으로, 데이타 에지(12)가 상기 그다음의 클럭 에지(11)에 대해 점점 더 적은 범위에 배치될 수 있어, 램프 회로(17)가 측정을 필요로 하는 시간을 크게 감소시킬 것이다.It should be noted that the circuit shown in FIG. 4 serves to place the data pulse 12 in the range of 0.25 to 0.75 clock periods from the next clock edge 11. Thus it would never be necessary to measure the time that the lamp circuit 17 is outside of this range. The magnitude of this range is the same as delay 29 and delay 27. In addition to delay 29, flip-flops 22 and 23 serve to detect a window that is as wide as delay 29. Additional windows can be detected if additional flip-flops and delays are used that function similar to flip-flops 22 and 23 and delay 29 and are coupled to the flip-flops and delays. In this way, data edges 12 can be placed in an increasingly smaller range with respect to the next clock edge 11, which will greatly reduce the time the ramp circuit 17 needs to measure.
이제 2 개의 비동기 에지간의 경과된 시간을 측정하기 위한 회로 및 방법이 제공되는 것이 이해되어질 것이다. 상기 2 개의 에지간이 관계를 테스팅하므로, 상기 에지가 시간 측정 회로에 사용되기 전에 준안정 상태가 회피될 수 있다. 상기 방식으로, 더 큰 정밀도가 상기 측정 회로에 의해 이루어질 수 있고, 단지 수 피코세컨드 계속에 의해 사건을 정밀하게 측정하는 것이 가능하게 된다. ±5 피코세컨드의 정밀도가 1 나노세컨드 클럭 주기를 사용하는 단일의 측정에 의해 이루어질 수 있다고 생각된다. 다수의 측정의 필요성을 제거하므로 사건을 측정하기 위해 필요로하는 시간이 크게 감소되어 집적 회로 테스팅을 위해 유효하게 사용될 수 있는 시간 측정 시스템을 초래한다.It will now be appreciated that circuits and methods are provided for measuring elapsed time between two asynchronous edges. Since the two edges test the relationship, a metastable state can be avoided before the edge is used in the time measurement circuit. In this way, greater precision can be achieved by the measuring circuit and it becomes possible to precisely measure an event by only a few picoseconds of continuation. It is contemplated that a precision of ± 5 picoseconds can be achieved by a single measurement using one nanosecond clock period. Eliminating the need for multiple measurements greatly reduces the time needed to measure an event, resulting in a time measurement system that can be effectively used for integrated circuit testing.
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